[发明专利]一种碳纳米管增强聚苯胺纳米纤维及其制备方法

说明书

技术领域

    本发明属于导电聚合物纳米复合材料制备技术领域，具体涉及一种碳纳米管增强聚苯胺纳米纤维及其制备方法。

背景技术

    在众多的导电高聚合物材料中，聚苯胺（Polyaniline, PANi）以其原材料易得、简易合成、高导电率、耐高温以及抗氧化性能良好等优点，成为导电聚合物研究的热点之一。聚苯胺分子独特的线性大π电子共轭体系使载流子?自由电子离域提供了迁移条件，因而赋予其独特的导电性、磁学特性、电化学电容特性、催化性、电致变色性以及电致容积响应等特性（Tran H D, Li D, Kaner R B. One-dimensional conducting polymer nanostructures: Bulk synthesis and applications [J]. Advanced Materials, 2009, 21(14-15): 1487-1499.）；同时，聚苯胺不仅可以通过质子酸的掺杂获得良好的导电性能，而且可通过加入氧化剂或还原剂即“氧化还原掺杂”来使其骨架中的电子迁移发生改变。聚苯胺纳米纤维的小尺寸效应、表面效应和量子隧道效应，赋予其与普通聚苯胺材料欠缺的特殊功能性如更高的导电率、溶解度、成膜性以及热稳定性等，因而在催化、分离、微波吸收以及分子器件等应用领域更具有广泛的前景。然而，聚苯胺不能在碱性环境下导电是限制其现实应用的最大缺点。

    另外一方面，自1991年S. Iijima发现碳纳米管（Carbon nanotubes, CNT）以来（Iijima S. Helical microtubules of graphitic carbon [J]. Nature, 1991, 354: 56-58.），碳纳米管以其准一维纳米结构和优良的电学性能逐渐成为微电子研究领域的热点之一。碳纳米管电流承载能力是金属的100倍；单壁碳纳米管（SWCNT）的强度是钢的100倍，杨氏模量是钢的5倍，而其密度仅为113g/cm³。此外，碳纳米管热导率是铜的5倍。正是由于碳纳米管诸多优异的电学和机械特性，碳纳米管非常适合制备纳米机电系统器件。

    将聚苯胺与碳纳米管复合将产生协同效应，制备综合性能优异的特殊功能复合材料，特别是可以克服聚苯胺材料不能在碱性环境下导电的技术难题。原位复合法是制备聚苯胺/碳纳米管复合材料的最重要方法之一。原位复合法是指在苯胺的聚合溶液中添加碳纳米管，待苯胺聚合反应完毕后，一部分聚苯胺包埋碳纳米管形成聚苯胺?碳纳米管“壳?核”结构，另一部分聚苯胺单独以无定形颗粒存在。这种方法通常又可分为搅拌法、静置法、乳液聚合法以及超声法等。然而，由于无定形颗粒状聚苯胺的存在，即使添加大量碳纳米管，这些方法通常得到的碳纳米管/聚苯胺复合材料的导电率并不高、容易产生团聚、可加工性能也较差。

在碳纳米管存在情况下将聚苯胺纳米化，形成碳纳米管与聚苯胺纳米纤维的复合材料，不但解决了传统碳纳米管/聚苯胺复合材料团聚的问题，而且有可能获得导电率更高、电化学活性更强、力学性能更优、显示纳米效应的电活性有机复合材料。因此，寻找一种经济实效、导电性能优异且能够分散于溶剂的碳纳米管增强聚苯胺纳米纤维的制备方法具有十分重要的意义。

发明内容

    本发明的目的是为了克服现有技术中碳纳米管与聚苯胺复合材料存在的加工性能差、导电率不高以及易产生团聚的不足，而提出一种碳纳米管增强聚苯胺纳米纤维及其制备方法。

    本发明的技术方案

一种碳纳米管增强聚苯胺纳米纤维，即将苯胺单体和碳纳米管分散于稀酸形成苯胺单体和碳纳米管共混液；将引发剂溶于乙醇形成引发剂溶液；将氧化剂溶于稀酸形成氧化剂溶液；

将引发剂溶液倒入苯胺单体与碳纳米管共混液中混合后，再加入氧化剂溶液混合后并剧烈晃动片刻，待静置反应完全后进行离心、洗涤、再分散等，最终得到平均直径为30～60nm，平均长度为1～2μm，导电率为10^-8～10²S/cm的碳纳米管增强聚苯胺纳米纤维，且在pH=7～13环境下的所得的碳纳米管增强聚苯胺纳米纤维导电率仍然高达0.47～0.27S/cm；

其中，所述的碳纳米管为羧基化单壁碳纳米管或羧基化多壁碳纳米管；

所述的稀酸为0.1mol/L的盐酸、硝酸、硫酸或高氯酸；

所述的引发剂为N-苯基对苯二胺；

所述的氧化剂为过硫酸铵、无水三氯化铁或双氧水/二氯化亚铁；